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Die Erfindung betrifft ein Kommuniaktionssystem und ein Verfahren zur Auswahl von Kommunikationspfaden.
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Stand der Technik
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Funknetzwerke in industrieller Umgebung, in denen Zuverlässigkeit und Sicherheit der Übertragung essentielle Anforderungen sind und Veränderungen der Umgebung üblicherweise Einfluss auf die Übertragungseigenschaften nehmen, erfordern eine dynamische Anpassung des Netzwerkes an die momentan vorherrschenden Bedingungen.
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Es wird angenommen, dass in geschlossenen Bereichen wie Fertigungsanlagen der Zustand aller Anlagen und aller Fahrzeuge, insbesondere Transportfahrzeuge wie Automated Guided Vehicle (AGV), bekannt und zentral abgespeichert ist.
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Dabei wird häufig vom Digital Twin gesprochen. Beim digitalen Twin sind die aktuellen Zustände und/oder die Zustände der Vergangenheit bekannt, wie beispielsweise die Positionen von Kommunikationseinrichtungen oder Gebäudeeigenschaften.
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Es können auch Vorhersagen über mögliche Kommunikationsstörungen in der näheren Zukunft getroffen werden.
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In zellulare Netzen ist der Raum in mehrere Funkzellen eingeteilt. In jeder Funkzelle bedient eine Basisstation die Teilnehmer. Die Form und Größe der Funkzelle wird im Wesentlichen durch die Signalleistung und die Antenneneigenschaften bestimmt. Da es jedoch keine scharfen Abgrenzungen gibt, überlappen sich benachbarte Funkzellen. Mobile Teilnehmergeräte sind üblicherweise der Basisstation zugeordnet, zu welcher sie die besten Funkeigenschaften haben. Qualitätsmerkmale für die Funkeigenschaften können unter anderem mit folgenden Werten quantifiziert werden:
- • Reference Signal Received Power (RSRP)
- • Received Signal Strength Indication (RSSI)
- • Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio (SINR)
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Die oben genannten Werte werden fortlaufend von allen im Einflussbereich liegenden Basisstationen ermittelt. Insbesondere an den Zellgrenzen kommt es jedoch vor, dass die Werte von mehreren Basisstationen in die gleiche Größenordnung kommen bzw. eine benachbarte Basisstation sogar bessere Funkeigenschaften bieten kann. Diese Werte werden fortlaufend ermittelt, untereinander und mit bestimmten Schwellwerten verglichen. Durch diese Bewertung der gemessenen Gütewerte kann für ein Teilnehmergerät bestimmt werden, ob ein Wechsel in eine Nachbarzelle vorteilhaft ist. Ist dies der Fall, kann die Basistation für ein UE ein Handover zu einer Zielbasisstation beantragen und, sofern die Basisstation dies genehmigt, durchführen.
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Handover-Entscheidungen nach Stand der Technik werden allein auf Basis der aktuell gültigen Kanalgüte bzw. der jüngeren Vergangenheit getroffen. Um ein hin- und herwechseln zwischen zwei Basistationen zu vermeiden, wird in der Regel eine Hysterese angewendet. Durch moderne Verfahren wie DualConnectivity werden die Ausfallzeiten während des Handovers deutlich reduziert oder vermieden. Der eigentliche Handover braucht jedoch trotzdem eine gewisse Zeit um durchgeführt zu werden. Bei einem abrupten, unvorhergesehenen Abbruch der Verbindung zur aktuellen Basisstation sind somit Ausfallzeiten zu erwarten.
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Die Güteeigenschaften einer Funkverbindung hängen in den meisten Fällen vom Abstand zwischen Sender und Empfänger und von etwaigen Hindernissen in der direkten Sichtverbindung ab. Für längere Funkstrecken kann es sinnvoll sein, die Direktverbindung vom Sender zum Empfänger in mindestens zwei Teilstrecken aufzuteilen, die für sich genommen aufgrund kürzerer Abstände und ggf. direkte Sicht deutlich bessere Funkeigenschaften besitzen. Zudem können die Daten des Senders an einen Relay-Knoten gesendet werden, der diese anschließend an den Zielknoten weitersendet. Üblicherweise geschieht dies nach dem Decode&Forward-Prinzip, das heißt treten auf der ersten Teilstrecke korrigierbare Bitfehler auf, werden diese vor der Weiterleitung korrigiert.
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Da im Falle von Relaying für eine Ende-zu-Ende-Verbindung mindestens zwei Teilstrecken notwendig sind, werden üblicherweise mehr der knappen Übertragungsressourcen benötigt als bei einer Direktverbindung. Aus Effizienzgründen sollte Relaying daher nur punktuell eingesetzt werden. Es ist zu erwarten, dass für das dynamische Konfigurieren einer Relay-Verbindung eine gewisse Vorlaufzeit notwendig ist, bis diese nutzbar ist.
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Bei zeitkritischen Anwendungen werden periodisch Daten zwischen den beteiligten Komponenten ausgetauscht. Dabei bezeichnet die Kommunikationszykluszeit die Dauer zwischen zwei gleichartigen Datenübertragungen, bspw. das Aussenden eines Aktuatorsollwerts durch einen Controller. Die Übertragung zwischen den beteiligten Komponenten muss dabei innerhalb bestimmter Zeitfenster erfolgen. Kommt es bis zu dem erwarteten Zeitpunkt nicht zu einer erfolgreichen Datenübertragung, erscheint die Kommunikationsschicht aus Sicht der Anwendung als gestört. Viele zeitkritische Anwendungen gehen jedoch nicht sofort in einen Fehlerzustand, sondern können eine gewisse Zeitspanne tolerieren, in denen die Kommunikationsschicht nicht verfügbar ist, bevor auch die Anwendung selbst in den Fehlerzustand geht und z.B. ein sicherer Zustand angestrebt wird. Diese Zeitspanne zwischen Ausfall/Störung der Kommunikation und Ausfall der Anwendung wird „Survival Time“ genannt. Ein typischer Wert für die Survival Time ist eine Zeitspanne, die in der Regel größer als die Kommunikationszykluszeit ist. In diesem Fall führt also ein einzelner Übertragungsfehler zwar zu einem kurzzeitigen Ausfall der Kommunikationsschicht, wenn die folgende Übertragung allerdings wieder erfolgreich ist, ist die Kommunikationsschicht vor Ablauf der Survival Time wieder verfügbar und die Anwendung ebenfalls durchgehend verfügbar.
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Sowohl Handover als auch Relaying-Konzepte sind leistungsfähige Werkzeuge, um in veränderlichen Umgebungen zuverlässige Funkeigenschaften zu gewährleisten. Das Problem ist, dass bisherige Konzepte dabei nur das Wissen über die gegenwärtigen Kanaleigenschaften für die Entscheidung zum Handover oder Relaying nutzen. Somit kann bei abrupten Kanalverschlechterungen nicht schnell genug reagiert werden, um die Anforderungen von zeitkritischen Anwendungen durchgehend zu gewährleisten.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat zum Ziel, durch Ausnutzung von Kontextinformationen über die Kommunikationsknoten und deren unmittelbare Umgebung drohende Unterbrechungen und Störungen bereits im Vorfeld zu erkennen. Falls ein Ausfall der Kommunikation in der näheren Zukunft wahrscheinlich ist, wird diesem unter Berücksichtigung anderer potenzieller Kommunikationspfade durch Relaying oder Handover entgegengewirkt. Dabei sollten die Vorlaufzeit zur Erkennung von zukünftigen Störungen die notwendige Zeit zu Einrichtung der Gegenmaßnamen übersteigen.
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Das Ziel der Erfindung ist es, mindestens einen oder mehrere geeignete Kommunikationspfade von einem Endpunkt A zu einem Endpunkt B zu finden, sodass die Wahrscheinlichkeit eines Datenpaketverlustes minimiert wird. Die Auswahl des Pfades erfolgt hierbei nicht nur anhand der Übertragungsgütewerte des Kommunikationssystems, wie in State-ofthe-Art Systemen, sondern auch unter Zuhilfenahme von Kontextinformationen. Es werden hier alle denkbaren Kommunikationspfade von mobilen Teilnehmern zu Basisstationen betrachtet.
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Durch die Erfindung werden drohende Kommunikationsstörung dadurch proaktiv vermieden, dass basierend auf Kontextinformationen rechtzeitig zuverlässigere Kommunikationspfade gewählt werden. Durch die insgesamt zuverlässigere Kommunikation werden Ausfälle und unnötige Nothalte vermieden und die Effizienz von Systemen verbessert.
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Weitere Vorteile werden der Figurenbeschreibung entnommen.
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Zeichnungen
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Es zeigen
- 1: ein Kommuniaktionssystem in schematischer Darstellung,
- 2: ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Pfadauswahl,
- 3: ein erfindngsgemäßes Kommuniaktionssystem in schematischer Darstellung.
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Beschreibung
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Für die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen vorkommenden gleichen Bauteile werden dieselben Bezugszahlen verwendet.
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1 zeigt ein zelluläres Kommunikationssystem 10, insbesondere ein Funksystem mit einem ersten Endpunkt A, einem zweiten Endpunkt B, einer ersten Baisantenne BS1, einer zweiten Basisantenne BS2 sowie einem ersten mobilen Endgerät ME1 und einem zweiten mobilen Endgerät ME2. Der erste Endpunkt A möchte mit dem zweiten Endpunkt B kommunizieren, wobei hier nur der Wireless Anteil an der Ende-zu-Ende Verbindung betrachtet wird.
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Mögliche Pfade zwischen den Endpunkten A und B sind
- a) Ein Link L1 über die erste Basisstation BS1
- b) Ein Link L2 über die zweite Basisstation BS2
- c) Ein Link L3 + Link L5 über das zweite mobile Endgerät ME2
- d) Der Link L3 + Link L4 über das zweite mobile Endgerät ME2
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Die Fälle a und b sind Direktverbindungen zu je einer Basisstation BS1, BS2. Die Fälle c und d berücksichtigen je eine Relayverbindung mithilfe eines mobilen Endgräts. Alle genannten Verbindungen werden von den Basisstationen BS1, BS2 koordiniert.
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Somit können entweder nur einzelne Verbindungen aufgebaut werden und ein Handover zu einer anderen Basisstation durchgeführt werden. Oder es können mehrere Verbindungen parallel aufrecht erhalten werden. So können beispielsweise die Links L1 und L2 für das mobile Endgerät ME 1 aufrecht erhalten werden und die Links L4 und L5 für das mobile Endgerät ME 2 aufrechterhalten werden. Gleiches gilt für die direkte Kommunikation zwischen den mobilen Endgeräten ME 1 und ME 2 über den Link L3.
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Eine zentrale Instanz 20 ist dazu vorgesehen, den passenden Pfad auszuwählen. Die zentrale Instanz 20 ist Bestandteil des Netzwerkes. Die Logik der zentralen Instanz kann entweder als Funktion in der Netzwerkschicht des Kommunkationssystems integriert sein, oder als externe Funktion die Pfadauswahl beeinflussen, falls das Netzwerk diese Funktionalität unterstützt. Dies ist zum Beispiel beim openRAN Konzept mithilfe von xApps und rApps in 3GPP Netzwerken der Fall. Die zentrale Instanz 20 stellt in diesem Falle eine Recheneinheit dar.
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Die Auswahl und Konfiguration eines Pfades kann eine gewisse Zeit andauern, insbesondere im Falle einer Relayverbindung. Daher ist es notwendig, eine alternative Verbindung zur Verfügung zu stellen, bevor diese Verbindung benötigt wird.
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Dafür gibt es zwei Möglichkeiten.
- 1) Es werden Kontextinformationen hinzugezogen. Ein Ausfall der Kommunikation kann beispielsweise durch Beobachtung des aktuellen Pfades eines Transportfahrzeugs vorhergesehen werden. Entsprechende Gegenmaßnahmen werden durch Einleitung einer Relayverbindung getroffen. Relevant ist hierbei vor allem wie früh eine Ausfalldetektion tDetektion vor dem eigentlichen Ausfall tAusfall erfolgen kann.
- 2) Bei zyklischen Anwendungen mit einer vorgegeben Survival Time werden die bekannten Parameter ausgenutzt. Nach einem Kommunikationsausfall zum Zeitpunkt tAusfall muss erst nach Ablauf der Survival Time TSurvival ein neuer Kommunikationspfad garantiert werden:
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Bei bekannter Zykluszeit können Ressourcen effizient geplant und angefordert werden. Je nach Anforderungen an die Applikation wird die Detektion eines Ausfalls eines Pfades unterschiedlich empfindlich ausgelegt werden. Hierzu werden Kontextinformationen heran gezogen. Werden niedrige Schwellenwerte verwendet, um den Ausfall eines Pfades zu detektieren, werden alternative Pfade öfter iniitiert. So kann es sein, dass diese alternativen Pfade gar nicht benötigt werden. Das heißt, dass ein Pfadwechsel in Fällen, wo er nicht benötigt wird, nicht erfolgen muss. In so einem Fall kann/muss entschieden werden, ob tatsächlich ein Kommunikationsausfall stattfindet.
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2 zeigt den Ablauf des Verfahrens zur effektiven Auswahl eines Netzwerkpfades.
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Vor dem Start einer zeitkritischen Anwendung, zum Beispiel bei der Koordination vom mehreren Aktuatoren mithilfe von Controller-zu-Controller Kommuniation ,werden im Schritt 100 die Kommunikationsanforderungen im Kommunikationssystem 10 angemeldet. Die Anforderungen beinhalten dabei insbesondere, aber nicht ausschließlich:
- • eine Zykluszeit der Kommunikation
- • eine Gesamtdatenmenge sowie die Paketgrößen
- • eine Survival Time
- • Identifikationsmerkmale der Kommunikationsteilnehmer ME1, ME2, A, B
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In 110 wird die zeitkritssche Anwendung im Kommunikationssystem 10 angemeldet, um die Kontextinformationen bewerten zu können. Folgende Informationen sind dabei sinnvoll, wobei die Aufzählung nicht vollständig sein muss:
- • Identifikationsmerkmale, wie beispielsweise eine Fahrzeugnummer eines Transportfahrzeugs
- • Eine ID im Kommunikationssystem, wie beispielsweise eine MAC-Adresse
- • Geeignete Kritikalität der Anwendung, um bei der Notwendigkeit von Kompromissen eine Priorität abschätzen zu können
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In 120 wählt die zentrale Instanz 20 für das Kommunikationssystem 10 einen geeigneten Kommunikationspfad aus und leitet eine Konfiguration ein. Es können auch Ressourcen geplant werden, um eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten. Der Erfolg oder der Misserfolg dieses Schritts wird der Anwendung mitgeteilt. Das heißt sowohl die erfolgreiche, als auch die erfolglose Suche nach einem geeigneten Pfad wird komuniziert und der Anwendung mitgeteilt.
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In 130 werden von der Anwendung die zu übertragenden Datenpakete generiert, die in der Regel einer festen Periodizität folgen. Diese Daten werden von der Anwendung an das Kommunkationssystem bzw. an die Kommunikationsschicht weitergeleitet. Die Daten werden über einen konfigurierten Pfad weitergeleitet. Sollten mehrere Kommunikationspfade konfiguriert sein, kann in diesem Schritt entschieden werden, über welchen die Weiterleitung der Daten erfolgen soll, beispielsweise über den Pfad mit der höchsten Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Datenübertragung. Die Entscheidung über den Pfad kann von der zentralen Instanz 20 in 120 ausgewählt und in 130 an das Kommunkationssystem mitgeteilt werden. Alternativ kann das Kommunkationssytem selbstständig die Pfadauswahl treffen.
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Optional wird in 140 durch das Kommunikationssystem 10 die aktuelle Übertragungsqualität überwacht. Die Überwachung erfolgt fortlaufend. Basierend auf den Ergebnissen der Überwachung werden die aktuellen und vorangegangenen Werte der Kommunikationsparameter angepasst. In 150 werden fortlaufend Kontextinformationen über die Kommunikationsknoten und die Umgebung gesammelt und ausgewertet. Solche Kontextinformationen beinhalten unter anderem, wobei die Aufzählung nicht abschliessen sein muss:
- • Aktuelle Positionen, Bewegungsvektoren und Zielpositionen von mobilen Endgeräten mit Kommunikationsknoten. Die Kontextinformationen können dabei zu einen Echtzeit-Lokalisationsdiensten oder aber auch durch von einer zentralen Instanz vorgegebenen Zielrouten stammen.
- • Weitere Informationen über in der Umgebung bewegten Objekten. Diese Informationen können ebenfalls aus Transportaufträgen, aber auch aus Objekterkennung von Kamerabildern stammen.
- • Informationen über die passive Umgebung, wie den Bauplan, inklusive der verwendeten Materialien sowie den aktuellen Zustand von Türen, Toren, Fenstern, etc.
- • Informationen über den aktuellen und zukünftigen Zustand von möglichen Störquellen, wie z.B. Schweißprozessen, schweren Antrieben, etc.
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In 155 wird basierend auf den gesammelten Kontexteigenschaften aus 150 und/oder der Kommunikationsparameter aus 140 die Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit der es im anstehenden Zeitraum T zu Einschränkungen der Kommunikation für die Knoten der kritischen Anwendungen kommt.
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Wird die Wahrscheinlichkeit erkannt, dass Störungen in naher Zukunft auftreten, werden mögliche Lösungen identifiziert. Diese sind unter anderem, wobei die Aufzählung nicht abschliessend ist:
- • Handover zu einer alternativen Basisstation. Die Basistation besitzt zum zeitpunkt der Auswahl womöglich nicht die beste Übertragungsgüte. Es konnte jedoch heraus gefunden werden, dass die alternativen Basisstation zu einem späteren Zeitpunkt eine bessere Übertragungsgüte liefert als die aktuelle Basisstation.
- • Das temporäre Einrichten eines Relay-Knotens, um durch kürzere Kommunikationsteilstrecken und ggf. andere Ausbreitungsrichtungen für den anstehenden Zeitraum die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Wahl eines geeigneten Relay-Knotens kann dabei auch basierend auf Kontextinformationen erfolgen.
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Entsprechend wird eine Rekonfiguration in Schritt 120 eingeleitet. Dabei werden die beteiligten Objekte (z.B. „AGV4“) auf die ID des Kommunikationssystems abgebildet. Sollte eine Auswertung der Überwachsungsparameter keine Notwendigkeit eines Pfadwechsels ergeben, wird entsprechend in Schritt 130 mit der Kommunikation über den aktuellen Pfad fortgefahren.
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3 zeigt ein Beispiel für die Nutzung von Kontextinformationen.
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Hier ist ein Transportfahrzeug wie ein AGV mit der Basisstation BS1 verbunden. BS1 ist räumlich die nächste Basisstation zum AGV und bietet daher die besten Übertragungseigenschaften.
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Das AGV bewegt sich in der mit Pfeil gezeigten Richtung R parallel zu einer Wand 30. Die aktuelle Position P, die Bewegungsrichtung R und das Ziel Z sind auf Anwendungsebene bekannt und können auch einer zentralen Instanz übermittelt werden.
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Zusammen mit Informationen zur Umgebung wird errechnet, zu welchem Zeitpunkt das AGV hinter die Wand fährt und die direkte Sichtverbindung zur Basisstation BS1 verliert. Durch die Unterbrechung der Sichtverbindung zur Basisstation BS1 st eine deutliche und mitunter abrupte Signalverschlechterung zu erwarten. Daher wird schon zu rinem Zeitpunkt, zu dem das AGV noch eine Verbindung zur Basisstaion BS1 aufweist, auf die Basisstation BS2 umgeschaltet, auch wenn diese zum aktuellen Zeitpunkt eine minimal geringere Empfangsleistung aufweist, diese aber auch im weiteren Pfad des AGV ausreichend sein wird.
